Fiche de révision : Fonctionnement et applications des diodes

📋 Plan du Cours

1. Structure et fonctionnement de la diode à jonction PN
2. Caractéristiques électriques idéales et réelles de la diode PN
3. Modélisation, point de fonctionnement et analyse statique/dynamique des circuits à diode
4. Diode Zener : principe, effets de claquage et caractéristiques thermiques
5. Diodes spéciales : Varicap, Schottky, LED, photodiode et diode laser
6. Applications des diodes au redressement simple et double alternance
7. Filtrage de la tension redressée par condensateurs
8. Stabilisation de tension à l’aide de la diode Zener

📖 1. Structure et fonctionnement de la diode à jonction PN

🔑 Notions clés & Définitions

• Polarisation inverse : Mode de fonctionnement d'une diode où la tension appliquée est négative (VD < 0), empêchant le passage du courant électrique, le courant inverse étant pratiquement nul.
• Ndiaye Césaire Electronique analogique : Ouvrage de référence fournissant les définitions et caractéristiques fondamentales des diodes à jonction.

📝 Points essentiels

• Une diode à jonction PN est formée par la juxtaposition d’un semi-conducteur dopé N et d’un semi-conducteur dopé P.
• En polarisation directe, la diode conduit après avoir surmonté une barrière de potentiel d’environ 0,7 V.
• La diode est un conducteur à sens unique et doit respecter ses limites de tension de claquage et de puissance.
• Ndiaye Césaire Electronique analogique La diode PN: définitions et caractéristiques
• diode : conducteur à sens unique – Ne pas dépasser la tension de claquage et la puissance limite  En polarisation directe, la tension appliquée (VD > 0 ) permet le passage d’un courant électrique de l’anode vers la cathode appelé courant direct.
•  En polarisation inverse, la tension appliquée (VD < 0 ) empêche le passage du courant.

💡 À retenir

La diode PN est un conducteur unidirectionnel constitué d’une jonction P-N, qui conduit en polarisation directe et bloque en polarisation inverse, avec une barrière de potentiel d’environ 0,7 V.

📖 2. Caractéristiques électriques idéales et réelles de la diode PN

🔑 Notions clés & Définitions

• Ndiaye Césaire Electronique analogique La diode PN : Composant électronique à jonction semi-conductrice présentant un comportement non linéaire avec une conduction facilitée dans un sens et bloquée dans l'autre.
• Tension de seuil (Vs) : Valeur minimale de la tension directe, environ 0,7 V pour le silicium, à partir de laquelle la diode commence à conduire significativement.
• Caractéristiques réelles : 6 10-19Coulomb, T la température en °K Is
• Définitions et caractéristiques : 6 10-19Coulomb, T la température en °K Is

📝 Points essentiels

• La diode réelle présente une tension de seuil Vs (~0,7 V pour le silicium) et une résistance interne RD en série.
• Le courant inverse Is augmente avec la température et est très faible en polarisation inverse.
• La caractéristique réelle de la diode suit une loi exponentielle du courant en fonction de la tension, avec un facteur d'idéalité η compris entre 1 et 2 et une tension thermique VT d'environ 26 mV à 300 K.
• Ndiaye Césaire Electronique analogique La diode PN: définitions et caractéristiques  Pour VD <0, la diode se comporte comme un bon isolant : Is ~ 1 pA - 1μA , ID=0  la diode est équivalente à un interrupteur ouvert et est dite “bloquée”  dans ce domaine son comportement est approximativement linéaire  le courant “inverse”, Is , augmente avec la température  Pour VD >> 0.7, le courant augmente rapidement avec une variation à peu près linéaire  la diode est dite “passante”  mais Id n’est pas proportionnel à Vd (il existe une “tension seuil” VS) Caractéristiques réelles 8 Dr.
•  Existence d’une résistance interne à la diode, RD (en série avec la diode idéale)  Existence d’un phénomène d’avalanche en inverse qui conduit à la destruction de la diode claquage par effet Zener ou Avalanche Caractéristiques réelles 7 Dr.

💡 À retenir

La diode réelle se distingue de la diode idéale par la présence d'une tension de seuil, d'une résistance interne, d'un courant inverse dépendant de la température, et par des phénomènes de claquage tels que les effets Zener et avalanche, avec un comportement exponentiel du courant en fonction de la tension.

📖 3. Modélisation, point de fonctionnement et analyse statique/dynamique des circuits à diode

🔑 Notions clés & Définitions

• Droite de charge :  Loi de Kirchoff
• Analyse statique : L’ Analyse statique … se limite au calcul des valeurs moyennes des grandeurs électriques (ou composantes continues, ou encore composantes statiques) 
• Analyse dynamique : Étude des composantes variables ou alternatives des tensions et courants dans un circuit, pertinente uniquement en présence de sources variables.
• Point de fonctionnement :  Loi de Kirchoff

📝 Points essentiels

• Le point de fonctionnement (ID, VD) d'une diode dans un circuit est déterminé par l'intersection de la caractéristique I(V) de la diode et de la droite de charge imposée par le circuit.
• La droite de charge est obtenue par la loi de Kirchhoff appliquée au circuit contenant la diode.
• L'analyse statique concerne les valeurs moyennes des tensions et courants (composantes continues) et s'applique aux sources statiques.
• L'analyse dynamique concerne les composantes variables (alternatives) des tensions et courants et nécessite la présence de sources variables.
• VD  ID et VD respectent les Lois de Kirchhoff  ID et VD sont sur la caractéristique I(V) du composant  Au point de fonctionnement de la diode, (ID,VD) remplissent ces deux conditions Point de fonctionnement La diode PN dans un circuit 10 Dr.

💡 À retenir

Maîtriser la détermination du point de fonctionnement et la distinction entre analyse statique et dynamique dans les circuits à diode.

📖 4. Diode Zener : principe, effets de claquage et caractéristiques thermiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Effet Zener : Phénomène de claquage électrique dans une jonction PN fortement dopée où la zone de déplétion très étroite permet un claquage à faible tension inverse, typiquement entre 3 et 4 volts.

📝 Points essentiels

• L'effet Zener se produit dans une jonction fortement dopée avec une zone de déplétion très étroite, provoquant un claquage à faible tension inverse (3-4 V typiquement).
• L'effet avalanche survient à des tensions inverses plus élevées (environ 6 V et plus), impliquant une multiplication de porteurs par impact.
• Les caractéristiques thermiques telles que la résistance thermique et la capacité thermique sont essentielles pour éviter la destruction de la diode Zener due à la dissipation de puissance.
• La diode Zener présente une forte variation de courant pour une faible variation de tension dans la zone de claquage.
• Au-delà de VD = 0,7 V, une petite augmentation de tension implique une forte augmentation de courant.

💡 À retenir

La diode Zener fonctionne en régime de claquage contrôlé grâce aux effets Zener ou avalanche, et sa gestion thermique est cruciale pour préserver son intégrité face à la dissipation de puissance.

📖 5. Diodes spéciales : Varicap, Schottky, LED, photodiode et diode laser

🔑 Notions clés & Définitions

• Schottky : Une jonction métal-semiconducteur caractérisée par une chute de tension plus faible que celle d'une diode standard, utilisée pour ses propriétés de commutation rapide.
• Quelques diodes spéciales : C0: Capacité condensateur C1: Capacité Varicap lorsque Vinv

📝 Points essentiels

• La diode Varicap est une diode polarisée en inverse dont la capacité varie en fonction de la tension inverse appliquée, utilisée comme condensateur variable.
• La LED émet de la lumière par recombinaison radiative d’électrons et trous dans une jonction PN polarisée en direct.
• La photodiode PIN détecte la lumière en générant un courant proportionnel à l’intensité lumineuse incidente grâce à une zone intrinsèque entre P et N.
• La diode laser est une jonction PN avec une cavité résonnante qui émet une lumière cohérente par émission stimulée, fonctionnant par pompage électrique.
•  Condensateur dont la capacité est fonction de la tension inverse appliquée selon une loi du type :  Si on insère une telle diode dans un circuit oscillant, on peut régler la fréquence de résonance du circuit en agissant sur la tension de commande de la diode au lieu d’agir mécaniquement sur un condensateur variable.
• Fonctionnement à l'aide :  d'un milieu amplificateur (amplification dans les semi-conducteurs par émission stimulée),  d'une structure résonante (cavité de Fabry- Pérot ou autre types)  d'un processus de pompage (courant électrique)  Emission lumineuse par recombinaison d'une paire électron-trou et peuplement de la BC par injection d'un courant.

💡 À retenir

Les diodes spécialisées se distinguent par leur structure et leur fonction, comme la capacité variable de la Varicap, l’émission lumineuse de la LED et diode laser, ou la détection de lumière par la photodiode.

📖 6. Applications des diodes au redressement simple et double alternance

🔑 Notions clés & Définitions

• Pendant l’alternance positive de u : La période durant laquelle la tension u1 est positive, ce qui provoque la conduction de la diode D1 et le blocage de la diode D2.
• Pendant l’alternance négative de u : La période durant laquelle la tension u2 est positive, entraînant la conduction de la diode D2 et le blocage de la diode D1.
• Redressement simple alternance : Un procédé utilisant une seule diode qui conduit uniquement pendant l’alternance positive, transformant une tension alternative en une tension unidirectionnelle.
• Redressement double alternance : Un procédé utilisant plusieurs diodes pour conduire pendant les deux alternances, ce qui double la fréquence de la tension redressée et réduit la variation d’amplitude.

📝 Points essentiels

• Le redressement transforme une tension alternative en tension unidirectionnelle, avec le simple alternance utilisant une diode et le double alternance utilisant plusieurs diodes.
• Dans un pont de Graetz, deux diodes conduisent simultanément selon l’alternance, assurant une tension redressée avec une période T/2.
• Le redressement double alternance offre une amplitude de tension plus constante que le simple alternance.
• 2 types de redressement: Redressement simple alternance Ou mono alternance Redressement double alternance Applications des diodes: Redressement 19 Dr.
• Ndiaye Césaire Electronique analogique Le redressement consiste à transformer une tension bidirectionnelle en une tension unidirectionnelle appelée tension redressée.

💡 À retenir

Le principe de base du redressement est la conversion d’une tension AC en une tension DC, avec le double alternance permettant une tension plus stable et une fréquence doublée.

📖 7. Filtrage de la tension redressée par condensateurs

🔑 Notions clés & Définitions

• Tension redressée : Tension obtenue après passage par un redresseur, caractérisée par une forme ondulée qui nécessite un filtrage pour être stabilisée.
• Tension filtrée : Cette charge va être restituée à la résistance R pendant le temps de décharge td soit Q
• Redresseur double alternance Tension ondulée : Allure de la tension uc pour un redresseur double alternance Tension ondulée Constante de temps de charge c = R.C Applications des diodes: Filtrage 23 Dr.

📝 Points essentiels

• Le filtrage d'une tension redressée vise à réduire l'ondulation pour obtenir une tension aussi constante que possible.
• Un condensateur placé en parallèle se charge pendant la montée de la tension et se décharge à travers la résistance de charge pendant la descente.
• La constante de temps τ = R.C détermine la rapidité de décharge du condensateur et l'efficacité du filtrage.
• Le taux d'ondulation est défini comme le rapport de la variation crête à crête de la tension filtrée à la tension moyenne.
• Pour un redresseur simple alternance, la période de décharge est T = 1/f, et pour un redresseur double alternance, T = 1/(2f).
• Cette charge va être restituée à la résistance R pendant le temps de décharge td soit Q = Imoy td avec: Si on néglige le temps de charge devant le temps de décharge, alors td ≈ T: La période T de la tension filtrée est égale à : 1/f : pour un redresseur simple alternance, 1/2f : pour un redresseur double alternance Tension ondulée Applications des diodes: Stabilisation 24 Dr.
• Ndiaye Césaire Electronique analogique Le filtrage d’une tension redressée consiste à réduire au maximum l’ondulation donc à avoir une tension aussi constante que possible.

💡 À retenir

Le filtrage d'une tension redressée vise à réduire l'ondulation pour obtenir une tension aussi constante que possible.

📖 8. Stabilisation de tension à l’aide de la diode Zener

🔑 Notions clés & Définitions

• Coefficient de régulation : Grandeur définie par le rapport de la variation de la tension de sortie à la variation de la tension d'entrée, utilisée pour quantifier la stabilité de la tension fournie par le stabilisateur.
• Résistance interne du stabilisateur : Caractéristique électrique correspondant à la résistance interne RZ de la diode Zener, qui affecte la qualité de la stabilisation de la tension de sortie.

📝 Points essentiels

• La diode Zener stabilise une tension en maintenant une tension de sortie constante UZ lorsque la tension d'entrée est supérieure à UZ.
• En réalité, la résistance série R et la résistance interne RZ influencent la qualité de la stabilisation.
• Le coefficient de régulation K = Δus / Δu mesure la variation relative de la tension de sortie par rapport à la variation de la tension d'entrée.
• La résistance interne du stabilisateur est une caractéristique importante pour évaluer la stabilité de la tension fournie.

💡 À retenir

La diode Zener stabilise une tension en maintenant une tension de sortie constante UZ lorsque la tension d'entrée est supérieure à UZ.

📊 Tableaux de Synthèse

Comparaison diode idéale et réelle

⚠️ Pièges & Confusions Fréquentes

1. Confusion entre polarisation directe et inverse, notamment en ce qui concerne la conduction et le blocage.
2. Mélanger la tension de seuil avec la tension de claquage.
3. Confondre la résistance interne avec la résistance de circuit externe.
4. Oublier l'effet de température sur le courant inverse.
5. Confondre diode Zener et diode avalanche dans le régime de claquage.
6. Mélanger les applications des diodes, notamment redressement et stabilisation.
7. Confusion entre la diode Zener et la diode Schottky dans leurs caractéristiques.

✅ Checklist Examen

1. Savoir définir une diode à jonction PN.
2. Connaître la tension de seuil pour le silicium.
3. Comprendre le principe de fonctionnement en polarisation directe et inverse.
4. Identifier les phénomènes de claquage Zener et avalanche.
5. Différencier diode Zener, Varicap, Schottky, LED, photodiode, diode laser.
6. Expliquer le principe du redressement simple et double alternance.
7. Comprendre le filtrage de tension redressée.
8. Savoir comment la diode Zener stabilise une tension.